Schulinterner Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe am Gymnasium Fabritianum BIOLOGIE

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1 Schulinterner Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe am Gymnasium Fabritianum BIOLOGIE

2 Inhalt 1. Aufgaben und Ziele des Unterrichtsfaches Biologie am Gymnasium Fabritianum Stellenwert des Unterrichtsfaches Biologie im Schulprofil Stellenwert des Modul Biologie im MINT-Profil Die Rahmenbedingungen der fachlichen Arbeit Außerunterrichtliche Angebote Entscheidungen zum Unterricht Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben EF Inhaltsfeld 1 - Biologie der Zelle Unterrichtsvorhaben I: Kein Leben ohne Zelle I Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert? Unterrichtsvorhaben II: Kein Leben ohne Zelle II Welche Bedeutung haben Zellkern und Nukleinsäuren für das Leben? Unterrichtsvorhaben III: Erforschung der Biomembran Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung? Inhaltsfeld 2 - Energiestoffwechsel Unterrichtsvorhaben IV: Enzyme im Alltag Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben? Unterrichtsvorhaben V: Biologie und Sport Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper? Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Q1 - Grundkurs Inhaltsfeld 3 (Genetik) Unterrichtsvorhaben I: Modellvorstellungen zur Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Unterrichtsvorhaben II: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Unterrichtsvorhaben III: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Inhaltsfeld 4 (Ökologie) Unterrichtsvorhaben IV: Autökologische Untersuchungen Welchen Einfluss haben abiotische Faktoren auf das Vorkommen von Arten? Unterrichtsvorhaben V: Synökologie I Welchen Einfluss haben inter- und intraspezifische Beziehungen auf Populationen? Unterrichtsvorhaben VI: Synökologie II Welchen Einfluss hat der Mensch auf globale Stoffkreisläufe und Energieflüsse Unterrichtsvorhaben VII: Zyklische und sukzessive Veränderung von Ökosystemen Welchen Einfluss hat der Mensch auf die Dynamik von Ökosystemen? Übersichtsraster Qualifikationsphase (Q2) GRUNDKURS Inhaltsfeld 6 (Evolution) Unterrichtsvorhaben I: Evolution in Aktion Welche Faktoren beeinflussen den evolutiven Wandel? Unterrichtsvorhaben II: Spuren der Evolution Wie kann man Evolution sichtbar machen? Unterrichtsvorhaben III: Von der Gruppen- zur Multilevel-Selektion Welche Faktoren beeinflussen die Evolution des Sozialverhaltens? Inhaltsfeld 4 (Neurobiologie) Unterrichtsvorhaben V: Molekulare und zellbiologische Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung Wie ist das Nervensystem des Menschen aufgebaut und wie ist organisiert?

3 4.9.2 Unterrichtsvorhaben VI: Lernen und Gedächtnis Wie muss ich mich verhalten, um Abiturstoff am besten zu lernen und zu behalten? Übersichtsraster Qualifikationsphase (Q1) LEISTUNGSKURS Inhaltsfeld 3 (Genetik) Unterrichtsvorhaben I: Erforschung der Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen und epigenetischen Strukturen auf einen Organismus? Unterrichtsvorhaben II: Gentechnologie heute Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Unterrichtsvorhaben III: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Inhaltsfeld 5 (Ökologie) Unterrichtsvorhaben IV: Autökologische Untersuchungen Welchen Einfluss haben abiotische Faktoren auf das Vorkommen von Arten? Unterrichtsvorhaben V: Synökologie I Welchen Einfluss haben inter- und intraspezifische Beziehungen auf Populationen? Unterrichtsvorhaben VI: Synökologie II Welchen Einfluss hat der Mensch auf globale Stoffkreisläufe und Energieflüsse? Unterrichtsvorhaben VII: Erforschung der Fotosynthese Wie entsteht aus Lichtenergie eine für alle Lebewesen nutzbare Form der Energie? Unterrichtsvorhaben VIII: Zyklische und sukzessive Veränderung von Ökosystemen Welchen Einfluss hat der Mensch auf die Dynamik von Ökosystemen? Übersichtsraster Qualifikationsphase (Q2) LEISTUNGSKURS Inhaltsfeld 6 (Evolution) Unterrichtsvorhaben I: Evolution in Aktion Welche Faktoren beeinflussen den evolutiven Wandel? Unterrichtsvorhaben II: Von der Gruppen- zur Multilevel-Selektion Welche Faktoren beeinflussen die Evolution des Sozialverhaltens? Unterrichtsvorhaben III: Spuren der Evolution Wie kann man Evolution sichtbar machen? Unterrichtsvorhaben IV: Humanevolution Wie entstand der heutige Mensch? Inhaltsfeld 4 (Neurobiologie) Unterrichtsvorhaben V: Molekulare und zellbiologische Grundlagen der neuronalen Informationsverarbeitung Wie ist das Nervensystem des Menschen aufgebaut und wie ist organisiert? Unterrichtsvorhaben VI: Fototransduktion Wie entsteht aus der Erregung einfallender Lichtreize ein Sinneseindruck im Gehirn? Unterrichtsvorhaben VII: Aspekte der Hirnforschung Welche Faktoren beeinflussen unser Gehirn? Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit696. Grundsätze der Leistungsbewertun 6.1 Beurteilungsbereich: Sonstige Mitarbeit Beurteilungsbereich Klausuren Grundsätze der Leistungsrückmeldung und Beratung Lehr- und Lernmittel Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen Qualitätssicherung und Evaluation Quellen zur selbstständigen Recherche

4 1. Aufgaben und Ziele des Unterrichtsfaches Biologie am Gymnasium Fabritianum 1.1 Stellenwert des Unterrichtsfaches Biologie im Schulprofil Das gemeinsame Ziel des Unterrichts in den Fächern Biologie, Chemie und Physik ist die naturwissenschaftliche Grundbildung (scientific literacy), welche einen wesentlichen Teil der Allgemeinbildung darstellt. In diesem Kontext liegt der Beitrag des Unterrichtsfaches Biologie in der Auseinandersetzung mit dem Lebendigen (z.b. Zelle, Organismus, Ökosystem, Biosphäre) sowie in deren Wechselwirkung und in der Evolution. Ein wesentliches Ziel des Biologieunterrichts ist es, den Schülerinnen und Schülern wichtige Erkenntnisse und Entwicklungen in den Biowissenschaften durchschaubar, verständlich und anschaulich zu vermitteln. Zudem sollen sie befähigt werden, eigenständig aktuelle Forschungsergebnisse zu bewerten. Im Biologieunterricht wird den Schülerinnen und Schülern daher die unmittelbare Begegnung mit Lebewesen und der Natur ermöglicht. Sie lernen die wechselseitige Abhängigkeit von Mensch und Umwelt zu verstehen und werden durch primäre Naturerfahrungen für einen verantwortungsvollen Umgang mit der Natur sensibilisiert. Zudem bereichern und ergänzen Exkursionen und Freilandarbeit durch den Praxisbezug den Biologieunterricht im Fachraum. Da der Mensch selbst Gegenstand des Biologieunterrichts ist, trägt der Unterricht zur Entwicklung eines individuellen Selbstverständnisses bei und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Gesundheitserziehung. Dies ist eine wesentliche Grundlage für ein gesundheitsbewusstes und umweltverträgliches Handeln sowohl in individueller als auch in gesellschaftlicher Verantwortung. Die Biowissenschaften sind heute für die gesellschaftliche Entwicklung weltweit von grundlegender Bedeutung, da ihre Erkenntnisse zu Perspektiven und Anwendungen führen, die uns Menschen als Teil und als Gestalter der Natur betreffen. Zudem werden politische Entscheidungen zunehmend durch biologische Erkenntnisse beeinflusst und sie berühren die Fundamente des Wertesystems der Gesellschaft. 1.2 Stellenwert des Modul Biologie im MINT-Profil Im Rahmen der Förderung von Schülerinnen und Schülern mit besonderen Neigungen in den naturwissenschaftlichen Fächern bildet das Fachgebiet Biologie das erste Modul des MINT-Programms. Im Zentrum dieses Kurses steht vor allem das praxisorientierte Arbeiten. Die Schülerinnen und Schüler sollen folglich dahingehend gefördert werden, dass sie die Fähigkeit zum Lösen von naturwissenschaftlichen Fragestellungen und zum selbstständigen naturwissenschaftlichen Arbeiten mit den dazugehörigen Methoden erweitern. Unter dem Motto Juniorforscher entdecken die Wunder der Natur sollen daher Phänomene aus der Lebenswelt der Schüler mithilfe von naturwissenschaftlichen Methoden näher untersucht (Experimente zu Umwelteinflüssen, Langzeitexperimente, Beobachtungsaufgaben) und die Ergebnisse fachwissenschaftlich ausgewertet werden. In diesem Kontext bieten sowohl das schuleigene Vivarium als auch der Schulgarten besondere Möglichkeiten des experimentellen Arbeitens. Die Schüler lernen dabei verschiedene Tierstämme (Weichtiere, Krustentiere, Wirbeltiere) am Beispiel von Tieren des Vivariums und des Schulteichs näher kennen. Zudem werden außerschulische Lernorte wie der Aquazoo in Düsseldorf oder der Krefelder Zoo entdeckt. Die ausgewählten Inhalte stellen bewusst eine thematische Erweiterung zum Kernlehrplan Biologie in der Jahrgangsstufe 5 dar. 2. Die Rahmenbedingungen der fachlichen Arbeit Das Gymnasium Fabritianum ist ein städtisches Gymnasium, welches sich im Krefelder Stadtteil Uerdingen befindet. Das Schulgebäude verfügt über drei Biologiefachräume (1 Experimentierraum; 2 Lehrräume), von denen zwei mit jeweils einem AktiveBoard ausgestattet sind. In der Sammlung befinden sich ein 4

5 Klassensatz, regelmäßig gewarteter Lichtmikroskope und Binokulare sowie Fertigpräparate zu verschiedenen Zell- und Gewebetypen. Zudem verfügt die Sammlung über ein DNA-Modell, vier Analyse-Koffer zur physikalischen und chemischen Untersuchung von Gewässern, diverse Skelette von Tier und Mensch, mehrere knöchernde Exponate sowie verschiedene weitere Modelle. Die Fachkonferenz Biologie stimmt sich bezüglich in der Sammlung vorhandener Gefahrstoffe mit der dazu beauftragten Lehrkraft der Schule ab. Zudem verfügt das Gymnasium über ein schuleigene Vivarium, in dem zurzeit circa 30 verschiedene Arten leben. Bei den Lebewesen handelt es sich um die Vertreter wichtiger Tier- und Pflanzenstämme, an denen beispielsweise im Unterricht elementare Fragestellungen aus der Biologie anschaulich beantwortet werden können. Die Bandbreite der Lebewesen reicht dabei vom mexikanischen Axolotl bis zur Mongolischen Wüstenrennmaus; von den Meistern der Tarnung, den Stab- und Gespenstschrecken, bis zu fleischfressenden Pflanzen. Außerdem kann der schuleigene Garten mit einem Teich und Gewächshaus für experimentelle Aufgaben genutzt werden. Auf demselben Flur gelegen, befindet sich das Selbstlernzentrum, in dem insgesamt sieben internetfähige Computer stehen, die gut für Rechercheaufträge oder Stationenlernen genutzt werden können. Für größere Projekte stehen auch zwei Informatikräume mit jeweils 15 Computern und zusätzlich 17 Netbooks in den naturwissenschaftlichen Fachräumen, zur Verfügung. Die Lehrerbesetzung und die übrigen Rahmenbedingungen der Schule ermöglichen einen ordnungsgemäßen laut Stundentafel der Schule vorgesehen Biologieunterricht. In der Oberstufe befinden sich durchschnittlich ca. 120 Schülerinnen und Schüler in jeder Stufe. Das Fach Biologie ist in der Einführungsphase in der Regel mit vier Grundkursen vertreten. In der Qualifikationsphase können auf Grund der Schülerwahlen in der Regel 2 3 Grundkurse und zwei Leistungskurse gebildet werden. Die Verteilung der Wochenstundenzahlen in der Sekundarstufe I und II ist wie folgt: Jg. Fachunterricht von 5 bis 6 5 BI (2) 6 BI (2) Fachunterricht von 7 bis BI (2) 9 BI (2) Fachunterricht in der EF und in der QPH 10 BI (3) 11 BI (3/5) 12 BI (3/5) Die Unterrichtstaktung an der Schule folgt einem 45 Minutenraster, wobei angestrebt wird, dass der naturwissenschaftliche Unterricht möglichst in Doppelstunden stattfindet. In nahezu allen Unterrichtsvorhaben wird den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben, Schülerexperimente durchzuführen; damit wird eine Unterrichtspraxis aus der Sekundarstufe I fortge- 5

6 führt. Insgesamt werden überwiegend kooperative, die Selbstständigkeit des Lerners fördernde Unterrichtsformen genutzt, sodass ein individualisiertes Lernen in der Sekundarstufe II kontinuierlich unterstützt wird. Hierzu eignen sich besonders Doppelstunden. Um die Qualität des Unterrichts nachhaltig zu entwickeln, vereinbart die Fachkonferenz vor Beginn jedes Schuljahres neue unterrichtsbezogene Entwicklungsziele. Aus diesem Grunde wird am Ende des Schuljahres überprüft, ob die bisherigen Entwicklungsziele weiterhin gelten und ob Unterrichtsmethoden, Diagnoseinstrumente und Fördermaterialien ersetzt oder ergänzt werden sollen. Der Biologieunterricht soll Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen wecken und die Grundlage für das Lernen in Studium und Beruf in diesem Bereich vermitteln. Dabei werden fachlich und bioethisch fundierte Kenntnisse die Voraussetzung für einen eigenen Standpunkt und für verantwortliches Handeln gefordert und gefördert. Folgende Kooperationen bestehen an der Schule: 3 Außerunterrichtliche Angebote - Greenline-AG Das Ziel dieser AG ist es, dass Schüler einen artgerechten Umgang mit Lebewesen erlernen und Verantwortung für die Lebewesen sowie deren Lebensräume in unserer Schule übernehmen, damit die gesamte Schulgemeinschaft möglichst lange von den Erneuerungen profitieren kann. Beispielsweise erproben die Schüler Experimente, die danach im Biologieunterricht oder bei MINT mit allen Schülern durchgeführt werden können. Durch die Arbeit in der AG erweitern die Teilnehmer ihre Kenntnisse und Fähigkeiten im Umgang mit der Natur. Dabei arbeiten Schüler ab der Klasse 6 mit Älteren zusammen, so dass die Kleinen von den Großen lernen. Während der AG ist e wichtig, dass stets auch der Spaß im Vordergrund steht und die Schüler die Gelegenheit erhalten auch ihre eigenen Ideen miteinzubringen. - Wettbewerbskultur im Unterrichtsfach Biologie Ich habe nicht nachgedacht, ich habe experimentiert Willhelm Röntgen( ) Deutschland verfügt über eine Vielzahl wissenschaftlicher Nachwuchskräfte, die sich im internationalen Vergleich behaupten und einen wichtigen Beitrag für eine nachhaltige und innovative Entwicklung leisten. Auch wir als Lehrerinnen und Lehrer staunen immer wieder, was unsere Schülerinnen und Schüler zu leisten im Stande sind. Da aber nicht nur Wissen, sondern auch Kreativität, Ausdauer und Phantasie wichtige Eigenschaften sind, um neue Impulse zu setzen, liegt es in unserem Interesse diese Fähigkeiten auch außerhalb des Regelunterrichts zu fördern. Neben Einrichtungen wie dem MINT-Profil und der GREENLINE-Ag bietet sich die selbstständige Projektarbeit in besonderer Weise an, vielfältige Fähig- und Fertigkeiten zu fördern. Zusätzlich zu den bereits genannten Kompetenzen werden die Selbstorganisation und Selbstverantwortung begünstigt, viele Sinne angesprochen und der soziale Umgang mit Mitgliedern in der Projektgruppe gefördert. Zudem werden Problemlöseverfahren und naturwissenschaftliche Denkweisen eingeübt sowie fachspezifische und fächerübergreifende Methoden bzw. Arbeitsweisen kennengelernt. Daher möchten wir unseren Schülerinnen und Schülern in Zukunft eine weitere Möglichkeit eröffnen sich auch über den Regelunterricht hinaus mit naturwissenschaftlichen Fragestellungen auseinanderzusetzen sowie an verschiedenen Wettbewerben mit unterschiedlichsten Anforderungsprofilen und Themengebieten teilzunehmen, um das eigene Potential neu zu entdecken und weiterzuentwickeln. Für die Umsetzung dieser Ziele ist es für uns wichtig, dass wir die zusätzlichen Angebote flexibel gestalten und nicht als AG integrieren, da die Stundenpläne immer dichter werden und es hier oftmals zu Kollisionen mit anderen Angeboten kommt. In unserer Vorstellung werden mögliche Projektarbeiten immer individuell mit 6

7 dem entsprechenden Fachlehrer/in abgesprochen, sodass eine Vielfalt unterschiedlicher Organisationsformen denkbar ist. So können die Schülerinnen und Schüler z.b. selbstständig Zuhause arbeiten, die Arbeit in den Regelunterricht integrieren, sich in ihren Freistunden oder in der Greenline-AG mit den Fachlehrern zur Beratung treffen oder entsprechende Kurse wählen (siehe Projektkurs Sek. II). Folgende Projekt sind im laufenden Schuljahr erstmals angestoßen worden: Schüler experimentieren / Jugend forscht Internationale Biologieolympiade Biologisch 7

8 4. Entscheidungen zum Unterricht 4.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben EF Unterrichtsvorhaben I: Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle I Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl K1 Dokumentation Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle) Zellaufbau Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 1) Zeitbedarf: ca. 11 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III: Thema/Kontext: Erforschung der Biomembran Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: K1 Dokumentation K2 Recherche K3 Präsentation E3 Hypothesen E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle) Biomembranen Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 2) Zeitbedarf: ca. 22 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben V: Thema/Kontext: Biologie und Sport Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF3 Systematisierung B1 Kriterien B2 Entscheidungen B3 Werte und Normen Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel) Dissimilation Körperliche Aktivität und Stoffwechsel Einführungsphase Unterrichtsvorhaben II: Thema/Kontext: Kein Leben ohne Zelle II Welche Bedeutung haben Zellkern und Nukleinsäuren für das Leben? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF4 Vernetzung E1 Probleme und Fragestellungen K4 Argumentation B4 Möglichkeiten und Grenzen Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle) Funktion des Zellkerns Zellverdopplung und DNA Zeitbedarf: ca. 12 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben IV: Thema/Kontext: Enzyme im Alltag Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: E2 Wahrnehmung und Messung E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel) Enzyme Zeitbedarf: ca. 19 Std. à 45 Minuten Zeitbedarf: ca. 26 Std. à 45 Minuten Summe Einführungsphase: 90 Stunden 8

9 4.2 Inhaltsfeld 1 - Biologie der Zelle Unterrichtsvorhaben I: Kein Leben ohne Zelle I Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert? Unterrichtsvorhaben II: Kein Leben ohne Zelle II Welche Bedeutung haben Zellkern und Nukleinsäuren für das Leben? Unterrichtvorhaben III: Erforschung der Biomembran Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung? Zellaufbau Biomembranen Stofftransport zwischen Kompartimenten Funktion des Zellkerns Zellverdopplung und DNA Basiskonzepte: System Prokaryot, Eukaryot, Biomembran, Zellorganell, Zellkern, Chromosom, Makromolekül, Cytoskelett, Transport, Zelle, Gewebe, Organ, Plasmolyse Struktur und Funktion Cytoskelett, Zelldifferenzierung, Zellkompartimentierung, Transport, Diffusion, Osmose, Zellkommunikation, Tracer Entwicklung Endosymbiose, Replikation, Mitose, Zellzyklus, Zelldifferenzierung Zeitbedarf: ca. 45 Std. à 45 Minuten 9

10 4.2.1Unterrichtsvorhaben I: Kein Leben ohne Zelle I Wie sind Zellen aufgebaut und organisiert? Inhaltsfeld: IF 1 Biologie der Zelle Zellaufbau Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 1) Zeitbedarf: ca. 11 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Selbstlernprogramm Einführung in die Mikroskopie Praktische Erforschung der Grundorganisation von Zellen durch Anfertigung und Färbung verschiedener Präparate. Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau pround eukaryotischer Zellen und stellen die Unterschiede heraus (UF3). Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können UF1 ausgewählte biologische Phänomene und Konzepte beschreiben. UF2 biologische Konzepte zur Lösung von Problemen in eingegrenzten Bereichen auswählen und dabei Wesentliches von Unwesentlichem unterscheiden. K1 Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Mikroskopeinsatz Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Selbstlernprogramm als Kopiervorlage im Medienschrank Zeichnungen zur Zelle, die benotet Anfertigung wissenschaftlicher werden müssen. Welche Unterschiede bestehen zwischen Zellen, die verschiedene Funktionen übernehmen? Zelldifferenzierung Was sind pro- und eukaryotische Zellen und worin unterscheiden sie sich grundlegend? Aufbau pro- und eukaryotischer Zellen ordnen differenzierte Zellen auf Grund ihrer Strukturen spezifischen Geweben und Organen zu und erläutern den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion (UF3, UF4, UF1). stellen den wissenschaftlichen Erkenntniszuwachs zum Zellaufbau durch technischen Fortschritt an Beispielen (durch Licht-, Elektronen- und Fluoreszenzmikroskopie) dar (E7) Mikroskopieren von verschiedenen Zelltypen Film: Ernst Ruska - Das Elektronenmikroskop elektronenmikroskopische Bilder sowie 2D- Modelle zu tierischen, pflanzlichen und bakteriellen Zellen Verbindlicher Beschluss der Fachkonferenz: Mikroskopieren von Fertigpräparaten verschiedener Zelltypen an ausgewählten Zelltypen Wiederholung von Grundlagenwissen aus der Sek. 1- Botanik Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen Zellen werden erarbeitet. EM-Bild wird mit Modell verglichen. 10

11 Wie ist eine Zelle organisiert und wie gelingt es der Zelle so viele verschiedene Leistungen zu erbringen? Aufbau und Funktion von Zellorganellen Zellkompartimentierung Endocytose Endosymbiontentheorie beschreiben Aufbau und Funktion der Zellorganellen und erläutern die Bedeutung der Zellkompartimentierung für die Bildung unterschiedlicher Reaktionsräume innerhalb einer Zelle (UF3, UF1), erläutern die membranvermittelten Vorgänge der Endo- und Exocytose (u.a. am Golgi-Apparat) (UF1, UF2), präsentieren adressatengerecht die Endosymbiontentheorie mithilfe angemessener Medien (K3, K1, UF1). Stationenlernen zu Zellorganellen und zur Dichtegradientenzentrifugation Abb. Campbell Diagnose von Schülerkompetenzen: SI-Vorwissen wird bei der Untersuchung verschiedener Zellen ermittelt. Leistungsbewertung: Wissenschaftliche Zeichnungen Protokoll Allgemeine Mitarbeit im Unterricht (siehe Kriterien zur Bewertung der sonstigen Mitarbeit) Erkenntnisse werden in einem Protokoll dokumentiert. Analogien zur Dichtegradientenzentrifugation werden erläutert. 11

12 4.2.2 Unterrichtsvorhaben II: Kein Leben ohne Zelle II Welche Bedeutung haben Zellkern und Nukleinsäuren für das Leben? Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle) Funktion des Zellkerns Zellverdopplung und DNA Zeitbedarf: ca. 12 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Erhebung und Reaktivierung von SI-Vorwissen Klasse 9 Genetik Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können UF4 bestehendes Wissen aufgrund neuer biologischer Erfahrungen und Erkenntnisse modifizieren und reorganisieren. E1 in vorgegebenen Situationen biologische Probleme beschreiben, in Teilprobleme zerlegen und dazu biologische Fragestellungen formulieren. K4 biologische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren. B4 Möglichkeiten und Grenzen biologischer Problemlösungen und Sichtweisen mit Bezug auf die Zielsetzungen der Naturwissenschaften darstellen. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Strukturlegetechnik bzw. Netzwerktechnik Verbindlicher Beschluss der (Mind Map) Fachkonferenz: Was zeichnet eine naturwissenschaftliche Fragestellung aus und welche Fragestellung lag den Acetabularia und den Xenopus- Experimenten zugrunde? Erforschung der Funktion des Zellkerns in der Zelle Welche biologische Bedeutung hat die Mitose für einen Organismus? Zellzyklus o Mitose (Rückbezug auf Zelltheorie) o Interphase benennen Fragestellungen historischer Versuche zur Funktion des Zellkerns und stellen Versuchsdurchführungen und Erkenntniszuwachs dar (E1, E5, E7), werten Klonierungsexperimente (Kerntransfer bei Xenopus) aus und leiten ihre Bedeutung für die Stammzellforschung ab (E5), begründen die biologische Bedeutung der Mitose auf der Basis der Zelltheorie (UF1, UF4), erläutern die Bedeutung des Cytoskeletts für den intrazellulären Transport [und die Mitose] (UF3, UF1) Plakat zum wissenschaftlichen Erkenntnisweg Acetabularia-Experimente von Hämmerling Experiment zum Kerntransfer bei Xenopus Informationstexte und Abbildungen Filme/Animationen zu zentralen Aspekten: 1. exakte Reproduktion 2. Organ- bzw. Gewebewachstum und Erneuerung (Mitose) 3. Zellwachstum (Interphase) Film: Der Kern des Lebens Wunderwelt Zelle SI-Vorwissen wird ermittelt und reorganisiert. Nach ausführlicher Diagnose werden die Themen kursspezifisch und individuell wiederholt (Lerntagebuch) Naturwissenschaftliche Fragestellungen werden kriteriengeleitet entwickelt und Experimente ausgewertet. 12

13 Wie ist die DNA aufgebaut, wo findet man sie und wie wird sie kopiert? Aufbau und Vorkommen von Nukleinsäuren Aufbau der DNA Mechanismus der DNA- Replikation in der S-Phase der Interphase erklären den Aufbau der DNA mithilfe eines Strukturmodells (E6, UF1). beschreiben den semikonservativen Mechanismus der DNA- Replikation (UF1, UF4). Einsatz 3D animierter DNA mit dem Selbstlernprogramm von Lehrer-online.de Nutzung verschiedener Animationen aus dem Internet Einsatz der Netbooks Der DNA-Aufbau und die Replikation werden modellhaft erarbeitet. Die Komplementarität wird dabei herausgestellt. SuS fertigen 3D-Modelle zum DNA- Aufbau an Welche Möglichkeiten und Grenzen bestehen für die Zellkulturtechnik? Zellkulturtechnik Biotechnologie Biomedizin Pharmazeutische Industrie zeigen Möglichkeiten und Grenzen der Zellkulturtechnik in der Biotechnologie und Biomedizin auf (B4, K4). Informationsblatt zu Zellkulturen in der Biotechnologie und Medizin- und Pharmaforschung Rollenkarten zu Vertretern unterschiedlicher Interessensverbände (Pharma-Industrie, Forscher, PETA- Vertreter etc.) Pro und Kontra-Diskussion zum Thema: Können Zellkulturen Tierversuche ersetzen? Zentrale Aspekte werden herausgearbeitet. Argumente werden erarbeitet und Argumentationsstrategien entwickelt. SuS, die nicht an der Diskussion beteiligt sind, sollten einen Beobachtungsauftrag bekommen. Nach Reflexion der Diskussion können Leserbriefe verfasst werden. Diagnose von Schülerkompetenzen: SI-Vorwissen wird ermittelt und reorganisiert. Nach ausführlicher Diagnose werden die Themen kursspezifisch und individuell wiederholt (Lerntagebuch) Leistungsbewertung: Test: Anwendungsaufgaben zum DNA-Aufbau und Replikation 13

14 4.2.3 Unterrichtsvorhaben III: Erforschung der Biomembran Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Forschung? Inhaltsfeld: IF 1 (Biologie der Zelle) Biomembranen Stofftransport zwischen Kompartimenten (Teil 2) Zeitbedarf: ca. 22 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Weshalb und wie beeinflusst die Salzkonzentration den Zustand von Zellen? Brownsche-Molekularbewegung Diffusion Osmose Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler führen Experimente zur Diffusion und Osmose durch und erklären diese mit Modellvorstellungen auf Teilchenebene (E4, E6, K1, K4), recherchieren Beispiele der Osmose und Osmoregulation in unterschiedlichen Quellen und dokumentieren die Ergebnisse in einer eigenständigen Zusammenfassung (K1, K2), Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können K1 Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten strukturiert dokumentieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge. K2 in vorgegebenen Zusammenhängen kriteriengeleitet biologisch-technische Fragestellungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen bearbeiten. K3 biologische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen. E3 zur Klärung biologischer Fragestellungen Hypothesen formulieren und Möglichkeiten zu ihrer Überprüfung angeben. E6 Modelle zur Beschreibung, Erklärung und Vorhersage biologischer Vor-gänge begründet auswählen und deren Grenzen und Gültigkeitsbereiche angeben. E7 an ausgewählten Beispielen die Bedeutung, aber auch die Vorläufigkeit biologischer Modelle und Theorien beschreiben. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Lehrfilme zur Brownschen Molekularbewegung (physics-animations.com) Demonstrationsexperimente mit Tinte oder Deo zur Diffusion Informationstexte, Animationen und Arbeitsaufträge zur Recherche osmoregulatorischer Vorgänge Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz Weitere Beispiele (z. B. Salzwiese, Niere) für Osmoregulation werden recherchiert. Plasmolyse führen mikroskopische Untersuchungen zur Plasmolyse hypothesengeleitet durch und interpretieren die beobachteten Vorgänge (E2, E3, E5, K1, K4). Experimente mit roten Zwiebelzellen SuS formulieren erste Hypothesen, planen und führen geeignete Experimente zur Überprüfung ihrer Vermutungen durch. 14

15 Warum löst sich Öl nicht in Wasser? Aufbau und Eigenschaften von Lipiden und Phospholipiden Welche Bedeutung haben technischer Fortschritt und Modelle für die Erforschung von Biomembranen? Erforschung der Biomembran (historisch-genetischer Ansatz) - Bilayer-Model - Sandwich-Modelle - Fluid-Mosaik-Modell - Erweitertes Fluid-Mosaik-Modell (Kohlenhydrate in der Biomembran) Schulinterner Kernlehrplan Biologie Gymnasium Fabritianum ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle ([Kohlenhydrate], Lipide, Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3). - Markierungsmethoden zur Ermittlung von Membranmolekülen (Proteinsonden) - dynamisch strukturiertes Mosaikmodel (Rezeptor-Inseln, Lipidstellen den wissenschaftlichen Erkenntniszuwachs zum Aufbau von Biomembranen durch technischen Fortschritt an Beispielen dar und zeigen daran die Veränderlichkeit von Modellen auf (E5, E6, E7, K4), ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3), recherchieren die Bedeutung und die Funktionsweise von Tracern für die Zellforschung und stellen ihre Ergebnisse graphisch und mithilfe von Texten dar (K2, K3). recherchieren die Bedeutung der Außenseite der Zellmembran und ihrer Oberflächenstrukturen für die Zellkommunikation (u. a. Antigen-Antikörper- Reaktion) und stellen die Ergebnisse adressatengerecht dar (K1, K2, K3). Mikroskopierübung zum Verhalten von Öl in Wasser mit Lecithin Informationsblätter zu funktionellen Gruppen Strukturformeln von Lipiden und Phospholipiden Modelle zu Phospholipiden in Wasser Versuche von Gorter und Grendel mit Erythrozyten (1925) zum Bilayer-Modell Material im Medienschrank Internetrecherche zur Funktionsweise von Tracern Informationen zum dynamisch strukturierten Mosaikmodell Vereb et al (2003) Abstract aus: Vereb, G. et al. (2003): Dynamic, yet structured: The cell membrane three decades after the Singer-Nicolson model. Versuche zur Überprüfung der Hypothesen (siehe Material Medienschrank) Das Verhalten von Lipiden und Phospholipiden in Wasser wird mithilfe ihrer Strukturformeln und den Eigenschaften der funktionellen Gruppen erklärt. Einfache Modelle (2D) zum Verhalten von Phospholipiden in Wasser werden erarbeitet und diskutiert. Durchführung eines wissenschaftspropädeutischen Schwerpunktes zur Erforschung der Biomembranen (siehe Material Medienscharank) empfohlene Vorgehensweise: Der wissenschaftliche Erkenntniszuwachs wird in den Folgestunden fortlaufend dokumentiert und für alle Kursteilnehmerinnen und Kursteilnehmer auf Arbeitsblättern festgehalten. Der Modellbegriff und die Vorläufigkeit von Modellen im Forschungsprozess werden verdeutlicht. Auf diese Weise kann die Arbeit in einer scientific community nachempfunden werden. Die neuen Daten legen eine Modifikation des Bilayer-Modells von Gorter und Grendel nahe und führen zu neuen Hypothesen (einfaches Sandwichmodell / Sandwichmodell mit eingelagertem Protein / Sandwichmodell mit integralem Protein). Das Membranmodell muss erneut modifiziert werden. Die biologische Bedeutung (hier nur die proximate Erklärungsebe- 15

16 Rafts) Nature of Science naturwissenschaftliche Arbeits- und Denkweisen Wie macht sich die Wissenschaft die Antigen- Antikörper-Reaktion zunutze? Moderne Testverfahren Wie werden gelöste Stoffe durch Biomembranen beschreiben Transportvorgänge hindurch in die Zelle bzw. aus der Zelle durch Membranen für verschie- heraus transportiert? dene Stoffe mithilfe geeigneter Passiver Transport Modelle und geben die Grenzen Aktiver Transport dieser Modelle an (E6). Diagnose von Schülerkompetenzen: Leistungsbewertung: Mikroskopische Zeichnungen Storyboards zu den Transportvorgängen Elisa-Test Gruppenarbeit: Informationstext zu verschiedenen Transportvorgängen an realen Beispielen Erstellung eines Storyboards zu den Transportvorgängen ne!) der Glykokalyx (u.a. bei der Antigen-Anti-Körper-Reaktion) wird recherchiert. Historisches Modell wird durch aktuellere Befunde zu den Rezeptor-Inseln erweitert. SuS können entsprechend der Informationstexte 2-D-Modelle zu den unterschiedlichen Transportvorgängen erstellen. 16

17 4.3 Inhaltsfeld 2 - Energiestoffwechsel Unterrichtsvorhaben IV: Enzyme im Alltag Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben? Unterrichtsvorhaben V: Biologie und Sport Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper? Enzyme Dissimilation Körperliche Aktivität und Stoffwechsel Basiskonzepte: System Muskulatur, Mitochondrium, Enzym, Zitronensäurezyklus, Dissimilation, Gärung Struktur und Funktion Enzym, Grundumsatz, Leistungsumsatz, Energieumwandlung, ATP, NAD + Entwicklung Training Zeitbedarf: ca. 45 Std. à 45 Minuten 17

18 4.3.1 Unterrichtsvorhaben IV: Enzyme im Alltag Welche Rolle spielen Enzyme in unserem Leben? Inhaltsfelder: IF 1 (Biologie der Zelle), IF 2 (Energiestoffwechsel) Enzyme Zeitbedarf: ca. 19 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Wie sind Zucker aufgebaut und wo spielen sie eine Rolle? Monosaccharid Disaccharid Polysaccharid Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle (Kohlenhydrate, [Lipide, Proteine, Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3). Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können E2 kriteriengeleitet beobachten und messen sowie gewonnene Ergebnisse objektiv und frei von eigenen Deutungen beschreiben. E4 Experimente und Untersuchungen zielgerichtet nach dem Prinzip der Variablenkontrolle unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften planen und durchführen und dabei mögliche Fehlerquellen reflektieren. E5 Daten bezüglich einer Fragestellung interpretieren, daraus qualitative und einfache quantitative Zusammenhänge ableiten und diese fachlich angemessen beschreiben. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Methoden Informationstexte zu funktionellen Gruppen und ihren Eigenschaften sowie Kohlenhydratklassen und Vorkommen und Funktion in der Natur Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstellung der verbindlichen Absprachen der Fachkonferenz 18

19 Wie sind Proteine aufgebaut und wo spielen sie eine Rolle? Aminosäuren Peptide, Proteine Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartärstruktur ordnen die biologisch bedeutsamen Makromoleküle ([Kohlenhydrate, Lipide], Proteine, [Nucleinsäuren]) den verschiedenen zellulären Strukturen und Funktionen zu und erläutern sie bezüglich ihrer wesentlichen chemischen Eigenschaften (UF1, UF3). Haptische Modelle (z.b. Legomodelle) zum Proteinaufbau Informationstexte zum Aufbau und der Struktur von Proteinen Der Aufbau von Proteinen wird erarbeitet. Die Quartärstruktur wird am Beispiel von Hämoglobin veranschaulicht. Welche Bedeutung haben Enzyme im menschlichen Stoffwechsel? Aktives Zentrum Allgemeine Enzymgleichung Substrat- und Wirkungsspezifität Welche Wirkung / Funktion haben Enzyme? Katalysator Biokatalysator Endergonische und exergonische Reaktion Aktivierungsenergie, Aktivierungsbarriere / Reaktionsschwelle Was beeinflusst die Wirkung / Funktion von Enzymen? ph-abhängigkeit Temperaturabhän- beschreiben und erklären mithilfe geeigneter Modelle Enzymaktivität und Enzymhemmung (E6). erläutern Struktur und Funktion von Enzymen und ihre Bedeutung als Biokatalysatoren bei Stoffwechselreaktionen (UF1, UF3, UF4). beschreiben und interpretieren Diagramme zu enzymatischen Reaktionen (E5), stellen Hypothesen zur Abhängigkeit der Enzymaktivität von verschiedenen Faktoren auf und überprüfen sie expe- Lernspirale Enzyme Moleküle des Lebens (Material im Medienschrank) Schematische Darstellungen von Reaktionen unter besonderer Berücksichtigung der Energieniveaus Experiment: Zucker mit Asche Experimente zum Nachweis der Konzentrations-, Temperatur- und ph-abhängigkeit (Lactase und Bromelain, Le- Die Substrat- und Wirkungsspezifität werden veranschaulicht. Entwicklung naturwissenschaftlicher Fragestellungen vom Phänomen her, Aufstellung von Hypothesen zur Erklärung der Phänomene, Planung und Durchführung überprüfender Experimente. Abschließend werden mögliche Fehlerquellen ermittelt und diskutiert. Modelle zur Funktionsweise des aktiven Zentrums werden erstellt. Diskussion der Folgen einer veränderten Aminosäuresequenz, z.b. bei Lactase, mithilfe eines Modells. Die zentralen Aspekte der Biokatalyse werden erarbeitet: 1. Senkung der Aktivierungsenergie 2. Erhöhung des Stoffumsatzes pro Zeit Planung und Durchführung von Experimenten zur Ermittlung der Abhängigkeiten der Enzymaktivität Wichtig: Denaturierung im Sinne einer 19

20 gigkeit Schwermetalle Substratkonzentration / Wechselzahl Wie wird die Aktivität der Enzyme in den Zellen reguliert? kompetitive Hemmung, allosterische (nicht kompetitive) Hemmung Substrat und Endprodukthemmung Wie macht man sich die Wirkweise von Enzymen zu Nutze? Enzyme im Alltag - Technik - Medizin - u. a. rimentell und stellen sie graphisch dar (E3, E2, E4, E5, K1, K4). beschreiben und erklären mithilfe geeigneter Modelle Enzymaktivität und Enzymhemmung (E6). recherchieren Informationen zu verschiedenen Einsatzgebieten von Enzymen und präsentieren und bewerten vergleichend die Ergebnisse (K2, K3, K4), geben Möglichkeiten und Grenzen für den Einsatz von Enzymen in biologisch-technischen Zusammenhängen an und wägen die Bedeutung für unser heutiges Leben ab (B4). ber- und Kartoffelkatalse) Markl Arbeitsbuch Modellexperimente mit Schere und Papierquadraten zur Substratkonzentration Gruppenarbeit Informationsmaterial zu Trypsin (allosterische Hemmung) und Allopurinol (kompetitive Hemmung) Modellentwicklung mit Powerpoint (Internet)Recherche irreversiblen Hemmung durch Temperatur, ph-wert und Schwermetalle Die Wechselzahl wird problematisiert. Das Beschreiben und Interpretieren von Diagrammen wird geübt. Erstellung einer Concept Map. Die kompetitive Hemmung wird simuliert. Modelle zur Erklärung von Hemmvorgängen werden entwickelt. Reflexion und Modellkritik Die Bedeutung enzymatischer Reaktionen für z.b. Veredlungsprozesse und medizinische Zwecke wird herausgestellt. Als Beispiel können Enzyme im Waschmittel und ihre Auswirkung auf die menschliche Haut besprochen und diskutiert werden. Diagnose von Schülerkompetenzen: Leistungsbewertung: Vorgehen beim Experimentieren Versuchsprotokolle 20

21 4.3.2 Unterrichtsvorhaben V: Biologie und Sport Welchen Einfluss hat körperliche Aktivität auf unseren Körper? Inhaltsfeld: IF 2 (Energiestoffwechsel) Dissimilation Körperliche Aktivität und Stoffwechsel Zeitbedarf: ca. 26 Std. à 45 Minuten Mögliche didaktische Leitfragen / Sequenzierung inhaltlicher Aspekte Welche Veränderungen können während und nach körperlicher Belastung beobachtet werden? Systemebene: Organismus Belastungstest Schlüsselstellen der körperlichen Fitness Konkretisierte Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Die Schülerinnen und Schüler Schwerpunkte übergeordneter Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler können UF3 die Einordnung biologischer Sachverhalte und Erkenntnisse in gegebene fachliche Strukturen begründen. B1 bei der Bewertung von Sachverhalten in naturwissenschaftlichen Zusammenhängen fachliche, gesellschaftliche und moralische Bewertungskriterien angeben. B2 in Situationen mit mehreren Handlungsoptionen Entscheidungsmöglichkeiten kriteriengeleitet abwägen, gewichten und einen begründeten Standpunkt beziehen. B3 in bekannten Zusammenhängen ethische Konflikte bei Auseinandersetzungen mit biologischen Fragestellungen sowie mögliche Lösungen darstellen. Empfohlene Lehrmittel/ Materialien/ Didaktisch-methodische Anmerkungen und Empfehlungen sowie Darstel- Methoden lung der verbindlichen Absprachen der Münchener Belastungstest oder multistage Belastungstest. Selbstbeobachtungsprotokoll zu Herz, Lunge, Durchblutung Muskeln Graphic Organizer auf verschiedenen Systemebenen Fachkonferenz Begrenzende Faktoren bei unterschiedlich trainierten Menschen werden ermittelt. Damit kann der Einfluss von Training auf die Energiezufuhr, Durchblutung, Sauerstoffversorgung, Energiespeicherung und Ernährungsverwertung systematisiert werden. Die Auswirkung auf verschiedene Systemebenen (Organ, Gewebe, Zelle, Molekül) kann dargestellt und bewusst gemacht werden. 21

22 Wie reagiert der Körper auf unterschiedliche Belastungssituationen und wie unterscheiden sich verschiedene Muskelgewebe voneinander? Systemebene: Organ und Gewebe Muskelaufbau Systemebene: Zelle Sauerstoffschuld, Energiereserve der Muskeln, Glykogenspeicher Systemebene: Molekül Lactat-Test Milchsäure-Gärung erläutern den Unterschied zwischen roter und weißer Muskulatur (UF1), präsentieren unter Einbezug geeigneter Medien und unter Verwendung einer korrekten Fachsprache die aerobe und anaerobe Energieumwandlung in Abhängigkeit von körperlichen Aktivitäten (K3, UF1), überprüfen Hypothesen zur Abhängigkeit der Gärung von verschiedenen Faktoren (E3, E2, E1, E4, E5, K1, K4). Unterricht Biologie Kompartimentierung Artikel: Auf die Faser kommt es an! Informationsblatt Experimente mit Sauerkraut (u.a. ph- Wert) Forscherbox Hier können Beispiele von 100-Meter-, 400-Meter- und 800-Meter-Läufern analysiert werden. Verschiedene Muskelgewebe werden im Hinblick auf ihre Mitochondriendichte (stellvertretend für den Energiebedarf) untersucht / ausgewertet. Muskeltypen werden begründend Sportarten zugeordnet. Die Milchsäuregärung dient der Veranschaulichung anaerober Vorgänge: Modellexperiment zum Nachweis von Milchsäure unter anaeroben Bedingungen wird geplant und durchgeführt. In diesem Unterrichtsvorhaben liegt ein Schwerpunkt auf dem Wechsel zwischen den biologischen Systemebenen gemäß der Jo-Jo-Methode (häufiger Wechsel zwischen den biologischen Organisationsebenen). 22

23 Welche Faktoren beeinflussen den Energieumsatz und welche Methoden helfen bei der Bestimmung? Systemebenen: Organismus, Gewebe, Zelle, Molekül Energieumsatz (Grundumsatz und Leistungsumsatz) Direkte und indirekte Kalorimetrie Welche Faktoren spielen eine Rolle bei körperlicher Aktivität? Sauerstofftransport im Blut Sauerstoffkonzentration im Blut Erythrozyten Hämoglobin/ Myoglobin Bohr-Effekt Wie entsteht und wie gelangt die benötigte Energie zu unterschiedlichen Einsatzorten in der Zelle? Systemebene: Molekül NAD + und ATP Wie entsteht ATP und wie wird der C6- Körper abgebaut? Systemebenen: Zelle, Molekül Tracermethode Glykolyse Zitronensäurezyklus Atmungskette Wie funktional sind bestimmte Trainingsprogramme und Ernährungsweisen für bestimmte Trainingsziele? stellen Methoden zur Bestimmung des Energieumsatzes bei körperlicher Aktivität vergleichend dar (UF4). erläutern die Bedeutung von NAD + und ATP für aerobe und anaerobe Dissimilationsvorgänge (UF1, UF4). präsentieren eine Tracermethode bei der Dissimilation adressatengerecht (K3), erklären die Grundzüge der Dissimilation unter dem Aspekt der Energieumwandlung mithilfe einfacher Schemata (UF3), beschreiben und präsentieren die ATP-Synthese im Mitochondrium mithilfe vereinfachter Schemata (UF2, K3). erläutern unterschiedliche Trainingsformen adressatengerecht und begründen sie mit Bezug auf die Trainingsziele (K4), Diagramme zum Sauerstoffbindungsvermögen in Abhängigkeit verschiedener Faktoren (Temperatur, ph-wert) und Bohr-Effekt Arbeitsblatt mit Informationstext zur Erarbeitung des Prinzips der Oberflächenvergrößerung durch Kapillarisierung Arbeitsblatt mit Modellen / Schemata zur Rolle des ATP Film Gida Zellatmung Advance Organizer Arbeitsblatt mit histologischen Elektronenmikroskopie-Aufnahmen und Tabellen Informationstexte und schematische Darstellungen zu Experimenten von Peter Mitchell (chemiosmotische Theorie) zum Aufbau eines Protonengradienten in den Mitochondrien für die ATP-Synthase (vereinfacht) Fallstudien aus der Fachliteratur (Sportwissenschaften) Der Zusammenhang zwischen respiratorischem Quotienten und Ernährung wird erarbeitet. Der quantitative Zusammenhang zwischen Sauerstoffbindung und Partialdruck wird an einer sigmoiden Bindungskurve ermittelt. Der Weg des Sauerstoffs in die Muskelzelle über den Blutkreislauf wird wiederholt und erweitert unter Berücksichtigung von Hämoglobin und Myoglobin. Die Funktion des ATP als Energie- Transporter wird verdeutlicht. Grundprinzipien von molekularen Tracern werden wiederholt. Experimente werden unter dem Aspekt der Energieumwandlung ausgewertet. Hier können Trainingsprogramme und Ernährung unter Berücksichtigung von Trainingszielen (Aspekte z.b. Ausdauer, Kraftausdauer, Maximalkraft) und der 23

24 Systemebenen: Organismus, Zelle, Molekül Ernährung und Fitness Kapillarisierung Mitochondrien Systemebene: Molekül Glycogenspeicherung Myoglobin Wie wirken sich leistungssteigernde Substanzen auf den Körper aus? Systemebenen: Organismus, Zelle, Molekül Formen des Dopings Anabolika EPO erklären mithilfe einer graphischen Darstellung die zentrale Bedeutung des Zitronensäurezyklus im Zellstoffwechsel (E6, UF4). nehmen begründet Stellung zur Verwendung leistungssteigernder Substanzen aus gesundheitlicher und ethischer Sicht (B1, B2, B3). Diagnose von Schülerkompetenzen: Selbstevaluationsbogen mit Ich-Kompetenzen am Ende der Unterrichtsreihe Leistungsbewertung: Referate Arbeitsblatt mit einem vereinfachten Schema des Zitronensäurezyklus und seiner Stellung im Zellstoffwechsel (Zusammenwirken von Kohlenhydrat, Fett und Proteinstoffwechsel) Anonyme Kartenabfrage zu Doping Informationstext zu Werten, Normen, Fakten Informationstext zum ethischen Reflektieren (nach Martens 2003) Exemplarische Aussagen von Personen Informationstext zu EPO Historische Fallbeispiele zum Einsatz von EPO (Blutdoping) im Spitzensport Weitere Fallbeispiele zum Einsatz anaboler Steroide in Spitzensport und Viehzucht Organ- und Zellebene (Mitochondrienanzahl, Myoglobinkonzentration, Kapillarisierung, erhöhte Glykogenspeicherung) betrachtet, diskutiert und beurteilt werden. Verschiedene Situationen können durchgespielt (z.b. die Folgen einer Fett-, Vitamin- oder Zuckerunterversorgung) werden. Juristische und ethische Aspekte werden auf die ihnen zugrunde liegenden Kriterien reflektiert. Verschiedene Perspektiven und deren Handlungsoptionen werden erarbeitet, deren Folgen abgeschätzt und bewertet. Bewertungsverfahren und Begriffe werden geübt und gefestigt. 24

25 4.4 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Q1 - Grundkurs Unterrichtsvorhaben I: Thema/Kontext: Modellvorstellungen zur Proteinbiosynthese Wie entstehen aus Genen Merkmale und welche Einflüsse haben Veränderungen der genetischen Strukturen auf einen Organismus? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: UF1 Wiedergabe UF3 Systematisierung UF4 Vernetzung E6 Modelle Qualifikationsphase (Q1) GRUNDKURS Unterrichtsvorhaben II: Thema/Kontext: Angewandte Genetik Welche Chancen und welche Risiken bestehen? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: K2 Recherche B1 Kriterien B4 Möglichkeiten und Grenzen Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Proteinbiosynthese Genregulation Zeitbedarf: ca. 18 Std. à 45 Minuten Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Gentechnik Bioethik Zeitbedarf: ca. 11 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III: Thema/Kontext: Humangenetische Beratung Wie können genetisch bedingte Krankheiten diagnostiziert und therapiert werden und welche ethischen Konflikte treten dabei auf? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: E5 Auswertung K2 Recherche B3 Werte und Normen Inhaltsfeld: IF 3 (Genetik) Meiose und Rekombination Analyse von Familienstammbäumen Bioethik Zeitbedarf: ca. 16 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben V: Thema/Kontext: Synökologie I Welchen Einfluss haben inter- und intraspezifische Beziehungen auf Populationen? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: E6 Modelle K4 Argumentation Inhaltsfeld: IF 5 (Ökologie) Dynamik von Populationen Zeitbedarf: ca. 11 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben VII: Thema/Kontext: Zyklische und sukzessive Veränderung von Ökosystemen Welchen Einfluss hat der Mensch auf die Dynamik von Ökosystemen? Unterrichtsvorhaben IV: Thema/Kontext: Autökologische Untersuchungen Welchen Einfluss haben abiotische Faktoren auf das Vorkommen von Arten? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: E1 Probleme und Fragestellungen E2 Wahrnehmung und Messung E3 Hypothesen E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung E7 Arbeits- und Denkweisen Inhaltsfeld: IF 5 (Ökologie) Umweltfaktoren und ökologische Potenz Zeitbedarf: ca. 16 Std. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben VI: Thema/Kontext: Synökologie II Welchen Einfluss hat der Mensch auf globale Stoffkreisläufe und Energieflüsse? Schwerpunkte der Kompetenzentwicklung: B2 Entscheidungen B3 Werte und Normen Inhaltsfelder: IF 5 (Ökologie), IF 3 (Genetik) Stoffkreislauf und Energiefluss Zeitbedarf: ca. 8 Std. à 45 Minuten 25